1.电流内环调节器整定

电压解耦后的电流内环控制系统见图5-4，τ_il为滤波时间常数，K_pi为电流调节器比例增益，τ_i为电流调节器积分时间常数。由于励磁电流环与转矩电流环结构完全一样，这里以励磁电流环为例来进行分析。为了便于设计，将反馈通道单位化，让励磁电流给定i_sd也通过滤波时间常数为τ_il的低通滤波，这样闭环系统变为图5-6所示，其中T′_s=σT_s，T_s=L_s/R_s。由图可见，电流内环控制系统为单变量线性系统，就可以采用调节器的常规工程设计方法来进行参数整定。

图5-6 励磁电流闭环系统框图

一般情况下，滤波时间常数τ_il＜＜T′_s，取τ_i=T′_s，消去系统大惯性环节。系统开环传递函数为

式中 K_i=K_pi/（R_sT′_s）

开环传递函数含有一个积分环节，因此电流内环为典型的I型系统，I型系统具有良好的跟随性能。根据I型系统工程设计准则，在没有特别性能要求情况下，取

K_iτ_il=0.5 （5-33）

系统的动态性和稳定性为最佳匹配，调节器达到最佳整定。由式（5-32）和式（5-33）解得

由此得出励磁电流内环和转矩电流内环PI调节器参数的最终整定值为

2.磁链外环调节器整定

由式（5-32）和式（5-33），励磁电流环闭环传递函数为

则磁链闭环控制系统如图5-7所示。其中，K_pc为磁链调节器比例增益，τ_c为磁链调节器积分时间常数。

图5-7 磁链闭环控制系统

此系统为5阶系统，为了将其简化成典型系统，便于分析设计，给磁链闭环系统做一些近似处理，即

由于T_r＞＞τ_il，可将大惯性环节近似成积分环节，即

其中，ω_c1为磁链闭环系统的开环截止频率，近似处理后，原磁链闭环控制系统变为图5-8所示。

图5-8 近似处理后磁链闭环控制系统结构图

磁链闭环系统开环传递函数为

式中

开环传递函数含有两个积分环节，因此磁链外环为典型的Ⅱ型系统，Ⅱ型系统具有良好的抗干扰性能。根据Ⅱ型系统工程设计准则，定义h为系统开环对数幅频特性中斜率为-20dB/dec的中频段宽度，称作“中频宽”。令h=5，其调节时间最短，动态跟随性能比较适中。则

解得

下面校验近似条件，磁链环截止频率为

电流环传递函数简化条件为

（满足简化条件）

由于T_r＞＞τ_il，因此大惯性环节近似积分环节的近似条件为

（满足近似条件）

由此得出磁链外环PI调节器参数的最终整定值为

3.速度外环调节器整定

由于转矩电流环和励磁电流环结构一样，所以式（5-34）即为转矩电流环闭环传递函数。速度闭环控制系统如图5-9所示。其中，K_pω为速度调节器比例增益，τ_ω为速度调节器积分时间常数，N_p为电机极对数。(www.daowen.com)

图5-9 速度闭环控制系统

让速度给定ω^∗_r也通过滤波时间常数为τ_ωl的低通滤波，使滤波环节可以移到前向通道，将反馈通道单位化，这样便于调节器设计。此系统为5阶系统，为了将其简化成典型系统，便于分析设计，给速度闭环系统做一些近似处理，即

其中，ω_c2为速度闭环系统的开环截止频率，近似处理后，原速度闭环控制系统变为图5-10所示。图中，，J是电机转动惯量。

图5-10 近似处理后速度闭环控制系统

速度闭环系统开环传递函数为

式中 ，T_ω=2τ_il+τ_ωl

开环传递函数含有两个积分环节，因此速度外环为典型的Ⅱ型系统，Ⅱ型系统具有良好的抗干扰性能。根据Ⅱ型系统工程设计准则，令h=5，其调节时间最短，动态跟随性能比较适中。则

解得

下面校验近似条件，速度环截止频率为

电流环传递函数简化条件为

速度环小时间常数近似处理条件为

由此得出速度外环PI调节器参数的最终整定值为

4.实验结果

通过图4-19所示的异步电机无速度传感器矢量控制综合实验平台来验证整定后的各个调节器性能。图5-11所示为矢量控制系统四个闭环实时监控界面。

整个控制系统采用TI公司的TMS320F2812 DSP芯片来实现控制算法，实验所用异步电动机额定参数为：P_n=4kW；U_n=380V；I_n=8.8A；ω_n=1440r/min；极对数P=2。通过离线辨识获得电机参数为：R_s=1.252Ω；R_r=0.933Ω；L_m=0.1403H；L_s=L_r=0.1482H；J=0.0139kg·m²。DSP

图5-11 矢量控制系统实时监控界面

系统时钟设为150MHz，PWM调制频率为3kHz。功率模块采用三菱的PM50RSA120，电流信号检测采用LEM的霍尔传感器LA58-P，母线电压信号检测采用宇波的霍尔传感器CHV-25P。相电压信号通过PWM占空比和母线电压值来估算，转速通过算法估算。

图5-12 电机起动和加减额定负载时磁链电流跟踪波形

图5-12所示为磁链外环在电机起动和加减额定负载时磁链电流I_mr跟踪波形。图中，Ch1为电流波形，Ch3为磁链电流给定波形|I^∗_mr|，Ch4为磁链电流反馈波形|I_mr|。图5-13所示为励磁电流内环在电机起动和加减额定负载时励磁电流i^e_ds跟踪波形。图中，Ch1为电流波形，Ch3为励磁电流给定波形，Ch4为励磁电流反馈波形i^e_ds。

图5-13 电机起动和加减额定负载时励磁电流跟踪波形

图5-14所示为转矩电流内环在电机起动和加减额定负载时转矩电流i^e_qs跟踪波形。图中，Ch1为电流波形，Ch3为转矩电流给定波形，Ch4为转矩电流反馈波形i^e_qs。图5-15所示为电机正反转时转矩电流i^e_qs跟踪波形。图5-16所示为速度外环电机起动和停止时转速ω_r跟踪波形。图中，Ch1为电流波形，Ch3为转速给定波形ω^∗_r，Ch4为转速反馈波形ω_r。图5-17所示为电机正反转时转速ω_r跟踪波形。图5-18所示为电机加减额定负载时转速ω_r跟踪波形。

图5-14 电机起动和加减额定负载时转矩电流跟踪波形

图5-15 电机正反转时转矩电流跟踪波形

图5-16 电机起停时转速跟踪波形

从这些图中可以看出，调节器整定后，整个系统稳定、控制效果好，励磁电流环、转矩电流环、磁链环和速度环具有很好的跟踪性能和抗干扰性，动态响应快。